MANUAL DE PRÁCTICAS DEL LABORATORIO DE HIDRÁULICA

PARTE 1

PARTE 2

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I PRACTICA NUMERO 1 DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL CENTRO DE PRESIÓN EN UNA SUPERFICIE PLANA. 1.-DATOS GENERALES: NIVEL

: LICENCIATURA

HORAS

:

CLAVE : ICAE13002832 NOMBRE DE LA PRÁCTICA :DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL CENTRO DE PRESIÓN EN UNA SUPERFICIE PLANA. SEMESTRE:

QUINTO

UNIDAD PROGRAMADA

MATERIA : MECANICA DE FLUIDOS

TEMA

: :

2.-PRESENTACION: Las fuerzas distribuidas de la acción del fluido sobre un área finita pueden remplazarse convenientemente por una fuerza resultante. El ingeniero debe calcular las fuerzas ejercidas por los fluidos con el fin de poder diseñar satisfactoriamente las estructuras que los contienen. Es de suma importancia, calcular la magnitud de la fuerza resultante y su línea de acción (centro de presión). El centro de presión, es un concepto que se debe tener claro, ya que su determinación es básica para la evaluación de los efectos que ejerce la presión de un fluido sobre una superficie plana determinada, por ejemplo: si se quiere determinar el momento que está actuando sobre una compuerta o para estudiar la estabilidad de una presa de gravedad, la pared de un tanque de almacenamiento de líquidos o el caso de un barco en reposo.

3.-OBJETIVO DE LA PRÁCTICA:

1 Determinar experimentalmente el centro de presión (C.P.) en una superficie plana vertical parcial y totalmente sumergida. 2 Analizar el comportamiento del centro de presión (C.P.) cuando varía la altura de agua sobre una superficie plana vertical. 3 Determinar la magnitud de la fuerza resultante ejercida por el líquido sobre una superficie plana parcial y totalmente sumergida (vertical). 4 Determinar el error que se comete al realizar el experimento, con el cálculo teórico

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4.-INFORMACION PREVIA: Cuando el cuadrante está sumergido en agua es posible analizar las fuerzas actuantes sobre la superficie del cuadrante como sigue: La fuerza hidrostática en cualquier punto de la superficie curva es normal a la superficie y por lo tanto la resultante pasa a través del punto de pivote, porque está localizado en el origen del radio. La fuerza sobre la parte superior e inferior de la superficie curva no produce ningún efecto en el momento que afecte al equilibrio del armazón, porque todas las fuerzas pasan a través del eje.

 Las fuerzas a los lados del cuadrante son horizontales y se cancelan (iguales y opuestas).  La fuerza hidrostática en la cara vertical sumergida es contrarrestada por el peso de equilibrio. La fuerza hidrostática resultante sobre la cara puede ser calculada del valor del peso de equilibrio y la profundidad de agua, como sigue: Cuando el sistema está en equilibrio, los momentos con respecto del eje son iguales: Donde:

• • • • •

m: es la masa del colgante de peso. g: es la aceleración de la gravedad. L: es la longitud del brazo de equilibrio. F: empuje hidrostático. h: es la distancia entre el eje y el centro de presión De calcular el empuje hidrostático y el centro de presión al final de la cara del cuadrante, podemos comparar los resultados teóricos y experimentales.

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5.- MATERIAL Y EQUIPO:

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1. El tanque se pone en pie a la altura de tres pies ajustables para ayudar a la nivelación. Éstos deben levantarse o bajarse a como sea requerido hasta que la burbuja este al centro del nivel. 2. Ajuste la posición del peso del contrapeso hasta que el brazo de equilibrio esté horizontal, indicado por la marca central en el indicador nivel. Luego anotar la altura H = 200mm (Ver figura 2). 3. Romper el equilibrio del cuadrante hidráulico colocando el porta pesas con un peso conocido (W) en el extremo del brazo del mismo. 4. Gradualmente agregue agua en el tanque volumétrico, hasta que el brazo de equilibrio este horizontal. Si el brazo de equilibrio se eleve demasiado rápido abra la válvula del desagüe y gradualmente drene el agua hasta alcanzar la posición deseada. 5. Cuando el brazo de equilibrio este horizontal, el nivel de agua en el tanque puede medirse usando la escala al lado del cuadrante. 6.

Anotar la lectura (d) del nivel del agua en el cuadrante hidráulico. (Ver figura 3).

7. Incremente el peso (W) en el porta pesas en 50gr y anotar la lectura (d) del nivel de agua en la cara del cuadrante hidráulico y el peso (W) acumulado correspondiente. 8.

Repetir el paso (7) cuantas veces sea necesario.

6.-PROCEDIMIENTOS:

Caso 1: PLANO VERTICAL PARCIALMENTE SUMERGIDO Para el caso donde la cara vertical del cuadrante está parcialmente sumergida.

Figura 2. Caso 1: Superficie parcialmente sumergida

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I Donde:

• • • • • • •

L: Distancia horizontal entre el eje y el colgante para peso. H: Distancia vertical entre el eje y la base del cuadrante. D: La altura de la cara del cuadrante. B: Ancho de la cara del cuadrante. d: Profundidad de agua de la cara del cuadrante. Ycp: Distancia vertical entre la superficie del agua y el centro de presión. hcg: Altura desde la superficie del agua al centro de gravedad del plano.

Las fuerzas mostradas como F, el empuje hidrostático y mg, del peso.

DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL CENTRO DE PRESIÓN (C.P). Para la determinación experimental del centro de presión (ycp) aplicaremos el concepto de momento en una articulación, o sea la ecuación (5). Donde la sumatoria de momentos es igual a cero, o sea:

Donde:

Donde:

• •

A es el área hcg es la profundidad de centro de gravedad

por lo tanto:

Sustituyendo la ecuación (7) en la ecuación (6) y despejando h’, obtenemos la siguiente expresión:

Del esquema de la figura 2, obtenemos: h1: distancia entre el eje de rotación y la superficie del agua.

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DETERMINACIÓN TEÓRICA DEL CENTRO DE PRESIÓN: Esta se realiza por medio de la aplicación de la fórmula deducida por integración:

CÁLCULO DEL PORCENTAJE DE ERROR (%e)

Caso 2: PLANO VERTICAL TOTALMENTE SUMERGIDO.

Figura 3. Caso 2: Superficie totalmente sumergida.

Donde: d: es la profundidad de sumersión. F: es el empuje hidrostático ejercido sobre el plano. Ycg: es la profundidad del centro de presión. h’: es la distancia del centro de presión debajo del eje. B: es el ancho de la superficie. D: es la altura de la superficie. W: es el peso en el colgante (=mg).

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Cuando la compuerta está totalmente sumergida:

DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL CENTRO DE PRESIÓN (C.P.). El empuje hidrostático puede ser definido como:

Se sustituye la ecuación 8 en la ecuación 2 y se despeja h’.

El momento teórico para ambos casos se calcula a partir de la ecuación:

Para la determinación del centro de presión teórico y el porcentaje de error se emplean las ecuaciones 6 y 7 planteadas en el primer caso analizado.

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7.- OBTENCION DE DATOS: CASO I: PLANO VERTICAL PARCIALMENTE SUMERGIDO.

Lectura N° 1 2 3 4

W (gr)

H (mm)

d(mm)

H (mm)

d(mm)

CASO II: PLANO VETICAL TOTALMETE SUMERGIDO

Lectura N° 1 2 3 4

W (gr)

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I SUPERFICIE PARCIALMENTE SUMERGIDA SIN INCLINACION LECTURA N°

W(Kg)

H(m)

hcg(m)

2

A(m )

Fhid(Kgf)

h’(m)

MR

MT

1 2 3 4 S UPERF ICIE TOTAL SUMERGIDA SIN INCLINACION 5 6 7 8 9

%error

Ycp-exp(m)

Ycp-ter(m)

%error

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8.-ANALISIS DE DATOS: 1. ¿Cuáles son las fuentes de error en este experimento? 2. ¿Qué importancia tiene la determinación del centro de presión? 3. De algunas aplicaciones prácticas del centro de presión. 4. Explique el procedimiento para medir la densidad de cualquier líquido usando el modelo de cuadrante hidráulico.

5. Investiga otras formas de determinar el centro de presión. 6. ¿A qué se llama centro de presión y centro de gravedad de una figura? 7. De un ejemplo cuando el centro de gravedad y el centro de presión de una figura plana coinciden, demuéstrelo matemáticamente.

8. . Grafica y analiza lo siguiente: a. MR Vrs. MT b. MT Vrs. d 9.-ELABORACION DE REPORTE:

1.-PRESENTACION 2.-INTRODUCCION BREVE 3.-DISCUSION DEL TRABAJO 4.-CONCLUSIONES 5.-GRAFICOS Y FOTOGRAFIAS 6.-MEMORIA DE CÁLCULO 7.-CUESTIONARIO (SERA RESUELTO CUANDO ESTE LE SEA SUMINISTRADO AL ALUMNO)

10.- EVALUACIOND E LA PRACTICA: SE CALIFICARA LA ESTRUCTURA GENERAL DEL TRABAJO, PERO SE HARA ENFASIS EN LAS CONCLUSIONES DE CARÁCTER TECNICAS.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I PRACTICA NUMERO 2 DETERMINACION DE LA ALTURA METACENTRICA

1.-DATOS GENERALES: NIVEL

: LICENSIATURA

HORAS

:

CLAVE : ICAE13002832 ALTURA METACENTRICA.

NOMBRE DE LA PRÁCTICA :DETERMINACION DE LA

SEMESTRE:

UNIDAD PROGRAMADA

MATERIA :

MECANICA DE FLUIDOS

:

TEMA

:

2.-PRESENTACION: La altura metacéntrica es una medida extremadamente importante cuando consideramos la estabilidad de cuerpos flotantes como barcos. Los cuerpos pueden ser estables, neutros e inestables dependiendo de la posición relativa del centro de gravedad y de su posición teórica llamada metacentro. Esta es definida como la intersección de líneas atreves del centro de flotabilidad del cuerpo cuando este está vertical o inclinado a cierto ángulo. El aparato de altura metacéntrica F1 -14 consiste de un pequeño flotador rectangular que incorpora pesos movibles que permite la manipulación del centro de gravedad y la inclinación transversal (ángulo de escora). los resultados prácticos son tomados para la estabilidad de cuerpos flotantes en diferentes posiciones , y estos son comparados con los resultados teóricos. El modelo puede ser usado con el F1-10 banco hidráulico para la provisión de una fuente de agua para los experimentos de estabilidad. O bien, un fregadero o tazón grande lleno de agua pueden ser usados si el banco hidráulico no está disponible.

3.-OBJETIVO DE LA PRÁCTICA:

1.

Determinar de centro de gravedad (G)

2.

Determinar la Altura metacéntrica teórica y experimental (GM)

3.

Determinar la posición del metacentro (M)

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4.-INFORMACION PREVIA: Para el equilibrio estático del pontón, el peso total (W) el cual actúa a través del centro de gravedad (G) debe ser igual al de la fuerza de flotabilidad o empuje la cual actúa a través del centro de flotabilidad (B) localizado al centroide de la sección transversal sumergida. Cuando el pontón se inclina a un pequeño ángulo (θ) el metacentro (M) es identificado como el punto de intersección entre la línea de acción de la fuerza de empuje (siempre vertical) y BG extendida. Para el equilibrio estable, M debe estar por encima de G.

Figura 5: Sección del pontón flotante

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5.- MATERIAL Y EQUIPO:

1. El F1-10 Banco hidráulico (o una profundidad de agua adecuada de la superficie libre del agua). 2.

El F1-14 Aparato de altura metacéntrica.

3.

Regla

4.

Una cuerda (para suspender el equipo y localizar el cg)

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1.

Determine el peso total (W: Kg). Una vez ensamblado el pontón.

2. Determine la posición de G Atando una cuerda delgada con fuerza alrededor del mástil y permitiendo cuidadosamente que todo el conjunto pueda ser suspendido de la misma, ajustando la posición del punto de suspensión hasta quela dirección del mástil este horizontal. 3. Mueva el peso de estabilidad al centro del pontón, indicado por 0 mm en la escala lineal y luego apriete los tornillos de fijación. 4. Ponga a flotar el pontón en agua y mida la profundidad de inmersión ¨d¨ para la comparación con los valores calculados (ver teoría). 5. Si es necesario, ajustar la inclinación del mástil (aflojando los tornillos de fijación que pasan a través de los orificios ranurados) para garantizar que se alinea con la línea de plomada en la escala angular sin frotar. Apriete los tornillos. 6. Recorra el peso inclinando a la derecha en incrementos de10 mm hasta el final de la escala y tome en cuenta los desplazamientos angulares (θ) de la línea de plomada para cada posición del peso. Repita este procedimiento atravesando el peso inclinando a la izquierda del centro. Los ángulos deben ser designados como + a un lado y – al otro para evitar la confusión en el análisis de las lecturas. 7. Cambie la posición del centro de gravedad del pontón moviendo el peso deslizante hacia arriba del mástil. Posiciones sugeridas son a la altura máxima y a una ubicación a la mitad entre la altura máxima y la posición usada en la primera prueba. Una posición más baja con el peso en el fondo del mástil (G dentro del pontón) también puede ser evaluada. 8. Para cada nueva posición de G, repita la prueba anterior y determine la altura metacéntrica, GM. Localice la posición del metacentro (M= KG + Gm) de la base de la plataforma.

6.-PROCEDIMIENTOS:

1 DETERMINACION DEL GM EXPERIMENTAL

Cuando el peso de inclinación es movido a un lado, el centro de gravedad G cambia a una nueva posición G´ y el centro de flotabilidad B también cambia a una nueva posición B´. Dado que el cambio en el centro de gravedad fue causado por mover el peso P a través de una distancia X, podemos escribir:

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De la figura #5 arriba podemos ver que:

θ Por lo tanto:

Note que esta ecuación no puede ser usada cuando θ=0. Es también posible calcular la alturametacéntricaGM, de los principios básicos, calculando el cambio en el centro de la flotabilidad del recipiente.

Figura 6: Centro de flotabilidad

2 DETERMINACION DEL GM TEÓRICO El centro de la flotabilidad del recipiente (centro de gravedad del agua desplazada) se encuentra tomando momentos. En la condición inicial vertical:

Donde “y” es la posición lateral del centro de flotabilidad y V es el volumen inmerso. Cuando la escora del recipiente (gira alrededor del eje X), el nuevo centro de flotación es igual a:

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k2 es el momento de inercia del plano de flotación sobre el eje X (I). Para pequeños desplazamientos angulares:

Por lo tanto:

Donde:

Por lo tanto:

El volumen sumergido V puede ser determinado por cálculos. Dado que la fuerza de flotabilidad (empuje hacia arriba) es igual al peso total W del pontón y su carga:

La profundidad de inmersión (d), se puede encontrar de:

Por último, el centro de flotación B está a una distancia KB= d/2 desde la base. El centro de gravedad G esta a una distancia KG sobre la base. Por lo tanto:

Nota 1: Para el cuerpo con un desplazamiento fijo, la posición del metacentro se mantendrá constante, pero la altura metacéntrica GMSE reducirá si el centro de gravedad se eleva. Nota 2: La ecuación para el cálculo de GM no puede ser aplicada cuando θ=0, entonces debe ser determinada gráficamente y descrita en los resultados.

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7.- OBTENCION DE DATOS: # Lectura

# Lectura

Altura de centro de gravedad y(m)

Altura de centro de gravedad KG (m)

Profundidad de inmersión d(m)

Profundidad de inmersión d(m)

Altura metacéntrica teórica GM(m)

Posición del peso inclinante x(m)

Posición del peso inclinante x(m)

Angulo de escora θ(grados)

Angulo de escora θ(grados)

Altura metacêntrica experimental GM(m)

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8.-ANALISIS DE DATOS: Para cada posición del centro de gravedad, trace una gráfica de la altura metacéntrica contra el ángulo de escora. Sobre esta gráfica extrapolar la posición de GM cuando θ=0 ¿Qué entendemos por altura metacéntrica? ¿Qué sucede si el Cg está por encima del metacentro? ¿Cuándo un cuerpo flotante es estable?

9.-ELABORACION DE REPORTE:

1.-PRESENTACION 2.-INTRODUCCION BREVE 3.-DISCUSION DEL TRABAJO 4.-CONCLUSIONES 5.-GRAFICOS Y FOTOGRAFIAS 6.-MEMORIA DE CÁLCULO 7.-CUESTIONARIO (SERA RESUELTO CUANDO ESTE LE SEA SUMINISTRADO AL ALUMNO)

10.- EVALUACIOND E LA PRÁCTICA: SE CALIFICARA LA ESTRUCTURA GENERAL DEL TRABAJO, PERO SE HARA ENFASIS EN LAS CONCLUSIONES DE CARÁCTER TECNICAS.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I PRACTICA NUMERO 3 USO Y MANEJO DEL BANCO HIDRÁULICO 1.-DATOS GENERALES: NIVEL

: LICENSIATURA

HORAS

:

CLAVE : ICAE13002832 HIDRÁULICO.

NOMBRE DE LA PRÁCTICA :USO Y MANEJO DEL BANCO

SEMESTRE:

UNIDAD PROGRAMADA

:

MATERIA :

TEMA

:

2.-PRESENTACION: El Banco Hidráulico y su amplia gama de accesorios opcionales han sido diseñados para instruir a estudiantes en los diferentes aspectos de la teoría hidráulica. La mecánica de fluidos se ha desarrollado como una disciplina analítica de la aplicación de las leyes clásicas de la estática, dinámica y la termodinámica, para esta situación en la cual los fluidos son tratados como medios continuos. Las leyes particulares involucradas son la conservación de masa, energía y momento y en cada aplicación de estas leyes pueden ser simplificadas para describir cuantitativamente el comportamiento de los fluidos. El modulo de servicio F1-10 banco hidráulico provee las facilidades necesarias para soportar un rango comprensivo de los modelos hidráulicos, el cual es designado para demostrar aspectos particulares de la teoría hidráulica.

3.-OBJETIVO DE LA PRÁCTICA:

1.

Realizar una descripción del equipo.

2.

Conocer los requerimientos del equipo.

3. Describir las condiciones de seguridad adecuadas para el uso del equipo. 4.

Medir caudales con el banco hidráulico.

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4.-INFORMACION PREVIA:

REQUERIMIENTOS DEL EQUIPO 1. Este equipo requiere una alimentación eléctrica de 110V, Frecuencia: 60 Hz 2. Un suministro temporal de agua es necesario para llenar el tanque colector. (Capacidad: 250 litros). La conexión al suministro de agua no es necesaria cuando el banco está en uso.

3. La conexión temporal de drenaje es necesaria para el vaciado del tanque colector después de su uso. Una manguera flexible debe ser conectada a la válvula de drenaje ubicada en la parte frontal del tanque colector. 4. Es recomendable disponer de 1 a 2 metros alrededor del equipo para un mejor manejo, y así, una mejor utilización. 5. El emplazamiento definitivo deberá estar bien iluminado, con luz natural o bien artificial. Esto proporcionará comodidad, y evitará errores y accidentes. 6. El equipo debe mantenerse en condiciones de 22ºC y 50% de humedad relativa. Fuera del 25% de estas condiciones, el equipo puede deteriorarse. Por ello, se debe evitar lo siguiente: • Dejar el equipo conectado al finalizar un trabajo. • Dejar agua en los recipientes al finalizar un trabajo. • Dejar el equipo expuesto al sol o luz directa excesiva, de forma continua. • Dejar el equipo en ambientes de más del 80% de humedad relativa. • Dejar el equipo en un ambiente químico, salino, de luz directa, calor o ambiente agresivo.

CONDICIONES DE SEGURIDAD ADECUADAS Repase antes de la puesta en marcha, la ausencia de riesgos para las personas analizando detalladamente lo siguiente:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Que no existen partes móviles desprotegidas. Que no existen contactos eléctricos desprotegidos que puedan ser accesibles. Que no existe riesgo de roturas. Comprobar que todas las conexiones de agua estén bien ajustadas. Que no hay derramamiento de productos peligrosos. Comprobar que la alimentación eléctrica es la adecuada y tiene las protecciones de seguridad idóneas, que la alimentación necesaria del equipo es igual a la

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I alimentación disponible, si dispone de diferencial, si tiene toma de tierra o no, el valor de la toma de tierra y el valor de la tensión. 7. El interruptor de corte esta cerca para poder actuar rápidamente en caso de emergencia. 8. Las equivocaciones normales del alumno, no causen daño. 9. Una vez repasados estos puntos, PROCEDA A PULSAR EL BOTÓN de puesta en marcha y pase a comprobar el funcionamiento.

ESPECIFICACIONES

•

Dimensiones

Las dimensiones totales del Banco Hidráulico son las siguientes: Longitud:

1.13 m

Ancho: 0.73 m Altura: 1.00 m

•

Detalles del equipo

Bomba de circulación Tipo: Centrífuga Altura máxima: 21 mca Caudal máximo: 80 lts /min (usando tanque volumétrico) Potencia del motor: 0.37kw = 0.5 HP Capacidad del tanque sumidero: 250 lts Capacidad del tanque volumétrico para caudales alta: 40 lts Capacidad del tanque volumétrico para caudales: 6 lts

OPERACIÓN DEL BANCO HIDRÁULICO

PRECAUCIÓN: Una vez realizada la medición de caudal con el cronómetro, hay que subir la válvula de vaciado para evitar que tanque sumidero se quede sin agua y la bomba pueda griparse. Cuando se realice de nuevo otra toma de tiempos, la

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I bajaremos para llenar el tanque volumétrico y una vez finalizada la medición, la volveremos a subir. Medición del Volumen de Caudal EL Banco Hidráulico incorpora un tanque de medición volumétrica que se acomoda para medición de tasas de flujo altas y bajas. Un indicador de nivel remoto, que consiste en un tubo de observación y la escala de calibrado está conectado a una toma situada en la base del banco. La escala está dividida en dos zonas correspondientes al volumen por encima y por debajo del paso en el banco. Cuando está operando, el tanque volumétrico se vacía levantando la válvula de vaciado, permitiendo que el agua regrese al tanque colector. Cuando el flujo a través del modelo de prueba se ha estabilizado, la válvula de vaciado se baja reteniendo el agua en el tanque. Los tiempos son tomados a medida que el nivel del agua se eleva en el tanque. Las bajas tasas de flujo son controlados en la parte inferior de la escala correspondiente al volumen pequeño debajo del paso. (Capacidad: 6 litros)

Las mayores tasas de flujo son monitoreados en la escala superior correspondiente al tanque principal. (Capacidad: 40 litros).

Cuando las tasas de flujo volumétrico que se van a medir son extremadamente pequeñas se debe utilizar una probeta en lugar del tanque volumétrico. Cuando se utiliza el desvío de la probeta del flujo hacia y desde el cilindro deben ser sincronizados lo más estrechamente posible con el arranque y la parada del reloj para lograr una alta precisión.

Todas las lecturas de volumen usando el tanque volumétrico deben ser tomadas con el deflector de amortiguación instalado desde la calibración.

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5.- MATERIAL Y EQUIPO: DESCRIPCION DEL BANCO HIDRÁULICO

Descripción del banco hidráulico

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EL Banco Hidráulico está construido de plásticos ligeros resistentes a la corrosión y está montado sobre ruedas para su movilidad. La medición volumétrica es integral y se ha elegido con preferencia sobre otros métodos de medición de flujo, debido a la facilidad de uso, precisión y seguridad. El tanque de medición volumétrica ha avanzado para dar cabida a las tasas de flujo bajo o alto. Un deflector de amortiguación reduce las turbulencias y un tubo de visualización remota con escala da una indicación instantánea del nivel del agua dentro del tanque volumétrico. Una válvula de vaciado en la base del tanque volumétrico es operada por un accionador remoto en la parte superior. Levantando el accionador se abre la válvula de vaciado permitiendo que el volumen de agua medido regrese al colector en la base del banco para luego ser recirculado. Cuando es levantado, una vuelta de tuerca de 90º al accionador mantendrá la válvula de vaciado en posición abierta. El rebose en la parte del tanque volumétrico permite que el agua retorne directamente al colector de prevención debido a un sobrellenado si la válvula de vaciado permanece cerrada. El agua se extrae del depósito mediante una bomba centrífuga autocebante que se monta en un hueco debajo del tanque colector. Un panel montado en la válvula de control regula el flujo de la bomba a una tubería de conexión rápida liberación situado en el piso del canal moldeado en la parte superior del banco. El tubo flexible de suministro en la mayoría de los accesorios simplemente conecta al conector de cierre rápido. Las herramientas de mano no son necesarias para cualquiera de estas operaciones, permitiendo el intercambio rápido de accesorios. Una válvula de drenaje incorporada en un hueco en la parte frontal del tanque recolector, facilita su vaciado. Esta válvula es usada para la conexión de accesorios. El suministro eléctrico de la bomba del motor se realiza mediante un interruptor y un dispositivo de corriente residual montada en un hueco en la parte frontal del banco. Este último ofrece una mayor protección al operador contra descargas eléctricas en caso de que el equipo se convierta eléctricamente peligroso.

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1.

Conecte la bomba.

2. Abra la válvula de vaciado para vaciar el tanque de volumétrico. Cuando este esté vaciado, conecte la bomba y cierre la válvula de vaciado. 3. Para medir el caudal debemos cerrar la válvula de purga, para ello levantamos el accionador con una media vuelta de tuerca y que pose sobre el orificio de purga, consiguiendo que el agua no vuelva al tanque. Con ello podemos ver como el depósito comienza a llenarse. 4. Al mismo tiempo que el depósito se llena, si observamos la regla del banco podremos comprobar cómo en ella comienza a subir el nivel de agua. 5. Una vez que llegamos a esta situación lo que tenemos que hacer es tomar una referencia (por ejemplo el cero del tramo superior), cuando el agua llegue a ese nivel ponemos en marcha el cronómetro. Parándolo cuando por ejemplo el agua llegue a los 20 litros en la regla. Así, tendríamos que fluyen 20 litros en por ejemplo 30 segundos (esto es sólo un ejemplo para comprender la toma de medidas). 6.

De manera que si esta fuese una medida real, el caudal

6.-PROCEDIMIENTOS: PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

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7.- OBTENCION DE DATOS: Lectura #

Volumen inicial (lts)

Volumen final (lts)

Volumen colectado (lts)

Tiempos promedios registrados (seg)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Lectura #

Caudal (l/s)

Caudal (l/min)

Caudal (gpm)

Caudal (gal/dia)

Caudal (m3/seg)

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8.-ANALISIS DE DATOS: 1.

¿Cuáles son las fuentes de error?

2.

¿Cuál es la capacidad del banco hidráulico de medir caudales bajos y caudales altos?

3. ¿Qué tipos de aparatos de laboratorio se pueden emplear haciendo uso del banco hidráulico? 4.

¿Cómo determinaría usted el caudal máximo de la bomba?

5. Describa seis factores que deben considerarse cuando se especifique un sistema de medición de flujo. 6. Describa cuatro tipos de medidores de cabeza variable y cómo se utilizan: el tubo Venturi, la boquilla de flujo, el orificio y el tubo de flujo. 7.

Describa el rotatómetro de medición de área variable.

8.

Describa el tubo de pitot-estático.

9. Mencione y Describa los vertederos que se utilizan para la medición de flujo en canal del banco hidráulico. 10. Describa el término coeficiente de descarga en relación con los medidores de cabeza variable. 11.

Defina qué es la carga de presión estática y qué es la carga de presión de velocidad.

9.-ELABORACION DE REPORTE:

1.-PRESENTACION 2.-INTRODUCCION BREVE 3.-DISCUSION DEL TRABAJO 4.-CONCLUSIONES 5.-GRAFICOS Y FOTOGRAFIAS 6.-MEMORIA DE CÁLCULO 7.-CUESTIONARIO (SERA RESUELTO CUANDO ESTE LE SEA SUMINISTRADO AL ALUMNO)

10.- EVALUACIOND E LA PRÁCTICA: SE CALIFICARA LA ESTRUCTURA GENERAL DEL TRABAJO, PERO SE HARA ENFASIS EN LAS CONCLUSIONES DE CARÁCTER TECNICAS.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I PRACTICA NUMERO 4 EL VENTURÍMETRO 1.-DATOS GENERALES: NIVEL

: LICENSIATURA

HORAS

:

CLAVE

: ICAE13002832

NOMBRE DE LA PRÁCTICA :EL VENTURÍMETRO.

SEMESTRE:

UNIDAD PROGRAMADA

:

MATERIA :

TEMA

:

2.-PRESENTACION: El medidor Venturi, inventado por el ingeniero estadounidense Clemans Herschel (1842-1930) y nombrado por él en honor del italiano Giovanni Venturi (1746-1822) por sus trabajos pioneros a cerca de las secciones cónicas de flujo, es el flujómetro más preciso en este grupo, pero también el más caro. Su contracción y expansión graduales evitan la separación del flujo y los remolinos, y sólo tiene pérdidas de fricción en las superficies de la pared interior. Los medidores Venturi causan pérdidas de carga muy bajas, y por lo tanto se deben preferir para aplicaciones que no puedan permitir grandes caídas de presión. La pérdida de carga irreversible para los medidores Venturi debida a la fricción sólo es de alrededor de 10%. El medidor Venturi es utilizado para medir la taza de flujo de “descarga” en una tubería, o sea la cantidad de agua en volumen que está pasando a través de una tubería en la unidad de tiempo.

3.-OBJETIVO DE LA PRÁCTICA:

Investigar la validez de la ecuación de Bernoulli cuando se aplica al flujo constante de agua en un conducto cónico. 1.

Medir caudales con el Venturímetro.

2.

Determinar el coeficiente de descarga (Cd) del Venturímetro.

3. Medir caudales con el depósito volumétrico del Banco hidráulico. 4.

Aplicar la ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad.

5.

Determinar el coeficiente de velocidad del Venturímetro.

6. Observar el comportamiento de la distribución de las presiones a través del Venturímetro, así como el proceso de conversión de energía.

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4.-INFORMACION PREVIA:

DETERMINACIÓN DEL CAUDAL TEÓRICO (Qt). La ecuación de Bernoulli representa la conservación de la energía mecánica por unidad de peso para flujo continuo, incomprensible y sin fricción. Estudiaremos el comportamiento teórico que tiene el flujo a través del Venturímetro, para deducir la expresión que nos determinara el caudal (ver figura 8). Aplicando la ecuación de Bernoulli entre la sección (1) y la sección (2) y asumiendo que no hay pérdida de energía entre ambas secciones, tenemos

Donde: P: presión estática detectada en un orificio lateral. V: Velocidad del flujo. Z: Elevación desde el nivel de referencia topográfica a la línea del flujo, por lo tanto. Z1=Z2 para tubos horizontales. La sección (1) corresponde a la entrada. La sección (2) corresponde a la garganta del Venturímetro. En la figura 8, podemos observar que las cotas topográficas de ambas secciones son iguales puesto que el tubo esta horizontal y pueden ser descartadas. Las alturas piezométrica se representan matemáticamente como sigue: Z 1=Z2 Por

lo tanto

Con el aparato Armfield F1-15, la presión estática P, es medida usando un manómetro directamente de un orificio lateral.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I El manómetro mide realmente la carga de presión estática, h, en metros, que está relacionada con P con la relación:

Esto permite q la ecuación de Bernoulli pueda ser escrita en forma revisada, es decir:

La parte de la velocidad relacionado con respecto de la carga de presión total se llama la carga de la presión dinámica. De la ecuación de continuidad sabemos que el caudal permanece constante:

Despejando v1 y sustituyendo en la ecuación 20:

Efectuando y transponiendo términos obtendremos la velocidad teórica del fluido al pasar por la garganta:

Al multiplicar la velocidad teórica ecuación 5, por el área de la garganta (A2), obtenemos el caudal teórico que está pasando a través del Venturímetro:

Donde: h1= Lectura de altura piezométrica en el entrada (m). h2= Lectura de altura piezométrica en la garganta (m).

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I A1= Área de la entrada (m2). A2= Área en la garganta (m2).

DETERMINACIÓN DEL CAUDAL REAL Y VELOCIDAD REAL (Q r y Vr). La determinación del caudal real se realizará mediante lecturas directa de la probeta cilíndrica y graduada disponible en el banco hidráulico, siguiendo el mismo procedimiento descrito en la práctica No. 3 de ésta guía de laboratorios de hidráulica I. La velocidad del flujo se mide por la medición del volumen del flujo, V, durante un período de tiempo, t. Esto da la tasa de flujo de volumen como:

que a su vez da la velocidad del

flujo a través de un área definida, A, es decir

Donde: Vi-real= Velocidad real de cada sección en el Venturímetro (m/s). Qr= Caudal obtenido del banco hidráulico (m3/s). Ai= Área de cada sección en el Venturímetro (m2).

CARGA TOTAL DE PRESION La carga de la presión total, h0, se puede medir a partir de una sonda con un agujero final desemboca en el flujo de tal forma que trae la corriente para descansar en destino, en el extremo de la sonda. Por lo tanto,

Y de la ecuación de Bernoulli, se sigue que

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DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD EXPERIMENTAL (Vexp). Si a la carga de presión total se le resta la carga de presión estática obtendremos la energía cinética, de esta despejamos la velocidad para poder calcularla con datos experimentales del equipo.

Donde: Vi-exp= Velocidad experimental de cada sección en el Venturímetro (m/s). h0= Carga de presión total en el sistema (leída en el tubo de pitot, m). hi = Lectura piezométrica en cada sección en el Venturímetro (m2). g = Aceleración de la gravedad

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DESCARGA Y COEFICIENTE DE VELOCIDAD (Cd, Cv). Para deducir la fórmula del caudal teórico ecuación 6, asumimos que no se producen pérdidas de energía, lo cual afectaría los resultados, es decir que el caudal teórico (Qt) va a diferir del caudal real (Qr), de manera que para que el caudal teórico sea igual al caudal real es necesario multiplicarlo por una constante (Cd), la que se determina de la siguiente forma:

Donde: Cd = Coeficiente de descarga del Venturímetro. Qr = Caudal real determinado con el Banco hidráulico. Qt = Caudal teórico determinado por la ecuación 6.

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Donde: Cv = Coeficiente de velocidad del Venturímetro. Qr = Velocidad real determinada a partir del caudal real. Qt = Velocidad experimental determinada por la ecuación 24.

COMPORTAMIENTO DE LA LÍNEA PIEZOMÉTRICA A TRAVÉS DEL VENTURIMETRO. Cuando el flujo pasa a través del Venturímetro se produce un proceso de transformación de energía, de carga piezométrica (que en este caso es solo de carga a presión, porque el aparato está colocado horizontalmente) a carga de velocidad en el trayecto de la entrada hacia la garganta. Ocurriendo el proceso inverso, de la garganta hasta la salida del Venturímetro; esto es debido a que el diámetro no es constante a través del Venturímetro. Lo anterior implica que la velocidad también varía para cada sección, esto se puede apreciar en la figura 8. Con anterioridad hemos dicho, que solo necesitamos dos lecturas piezométrica para determinar el caudal. El resto de las lecturas piezométrica es para apreciar el proceso anteriormente expuesto.

DISTRIBUCIÓN IDEAL Y REAL DE LAS PRESIONES. Estas distribuciones están expresadas por:

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I Donde: h1 = Lectura piezométrica en la entrada; V1 = Velocidad en la entrada; Vn = Velocidad de una sección cualquiera; hn = Lectura piezométrica en esa sección cualquiera. Por razones de cálculo y comparación de los resultados experimentales con los teóricos, expresaremos (hn - h1) como una fracción de la carga de velocidad de la garganta; es decir:

Sustituyendo V1 = f (V2, A2, A1) y Vn = f (V2, A2, An) en la ecuación anterior y efectuando las operaciones necesarias obtendremos.

Donde: El término de la izquierda de la ecuación 13 representa el comportamiento real de la distribución de la presión, expresada como fracción de la carga de velocidad de la garganta; El término de la derecha de la ecuación 13 representa el comportamiento teórico o ideal de la distribución de la presión y no depende de las lecturas Piezométrica o datos experimentales.

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5.- MATERIAL Y EQUIPO:

EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO 1. F1-10 Banco hidráulico. 2. F1-15 Aparato medidor Venturi. 3. Cronómetro.

DATOS TECNICOS Las siguientes dimensiones del equipo son usadas para los cálculos apropiados. Si es necesario, estos valores pueden ser registrados como parte del procedimiento experimental y se remplazaran con sus propias medidas. Las dimensiones del tubo se detallan a continuación

Posición A B C D E F

Manómetro h1 h2 h3 h4 h5 h6

Diámetro (mm) 25.0 13.9 11.8 10.7 10.0 25.0

Tabla 3: Datos técnicos del equipo Venturímetro

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1. Ponga el aparato de la ecuación de Bernoulli sobre el banco hidráulico para que la base este horizontal; esto es necesario para que la medida de las alturas piezométricas sean exactas. 2. Asegure que el tubo de salida de equipo se posiciona sobre el tanque volumétrico para facilitar las colecciones de volumen cronometradas. 3. Conecte la entrada del equipo al suministro de flujo de banco; cierre la válvula del banco y la válvula de control de caudal de aparato y encienda la bomba. 4.

Gradualmente abra la válvula del banco para llenar el equipo de la prueba con agua.

5. Con el fin de sacar el aire de los puntos de la toma de presión del manómetro, cerrar tanto la válvula del banco como la válvula de control de caudal del equipo y abra el tornillo de purga. 6. Quite la tapa de la válvula de aire adyacente. Conecte una longitud de tubería de pequeño diámetro de la válvula de aire al tanque volumétrico. 7. Ahora, abra la válvula del banco para permitir que fluya el caudal a través de los tubos del manómetro para purgar todo el aire de ellos. 8. Luego, apriete el tornillo de purga y abra parcialmente la válvula del banco y la válvula de control de caudal del aparato de prueba. 9. A continuación, abra el tornillo de purga ligeramente para permitir que el aire entre en la parte superior de los manómetros (Puede que necesite ajustar ambas válvulas para lograr esto). 10. reapriete el tornillo cuando los niveles del manómetro alcancen la altura adecuada. El volumen máximo del flujo de caudal será determinado por la necesidad de tener las máximas (h1) y mínimas (h5), ambas lectura en la escala del manómetro. Si se requiere, los niveles del manómetro pueden ser ajustados mas allá usando el tornillo de purga y la bomba de mano proporcionadas. El tornillo de purga controla el flujo de aire a través de la válvula de aire, así que cuando se use la bomba de mano el tornillo de purga debe estar abierto. Para mantener en el sistema la presión de la bomba de mano, el tornillo debe cerrarse después de bombear. 11. Anote las alturas de cada tubo piezométrico y luego determine el caudal que proporciona la bomba por medio de la regleta graduada que tiene el banco hidráulico (Método volumétrico). 12.

Cierre gradualmente ambas válvulas para variar el caudal y repita el paso (11) una vez más.

13. Repita el paso (12) y solo anote las lecturas piezométrica de la entrada (h1) y de la garganta (h5) por lo menos 8 veces. 14. Mida la de la carga total de presión (h0) atravesando la sonda de presión total en las secciones “A “y “E” de la sección de prueba.

6.-PROCEDIMIENTOS:

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PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

1. Calcular las áreas variables a lo largo del medidor Venturi en base a los diámetros proporcionados en la tabla 1. 2. Con las áreas A (1) = A1; A (2) = A5 y las alturas piezométricas h (1) = h1; h (2) = h5, calcular la velocidad en la sección 2 (garganta cilíndrica) con la ecuación 5. 3. Multiplique la V2 obtenida en el inciso anterior por el área respectiva A2 (A5), para calcular el caudal teórico para todas las lecturas realizadas durante el ensayo. 4. Determine el caudal real para todas las lecturas, empleando los datos recolectados directamente de la regleta graduada del banco y aplicando la fórmula siguiente: Q= V/t 5. Determine el Cd del medidor Venturi según la ecuación 10. 6. Para calcular la distribución ideal y real de las presiones a lo largo del Venturímetro aplique la ecuación 13 que relaciona la entrada y la garganta cilíndrica con cada una de las tomas piezométricas ubicadas en el medidor Venturi.

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7.- OBTENCION DE DATOS: TABLA DE RECOLECCIÓN DE DATOS

Lectura Piezométrica (mm) Lectura N°

A (h1, entrada)

B (h2)

C (h3)

D (h4)

E (h5, garganta)

F (h6)

1 2

Datos para la determinación del caudal real y teórico Lectura No. colectado

1 2 3 4 5 6 7 8

Volumen (lts)

Tiempo Colectado (seg)

Lecturas Piezométrica (mm) h1

h5

h0

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I TABLAS DE PRESENTACIÓN DE RESULTADOS

Posición

A

B

C

D

E

F

Área

1 COEFICIENTE DE DESCARGA Lectura

Lecturas piezométricas h1(m) h2(m) (h1-h2) 0.5

Caudales (m3/s) Teórico Real

Caudales (l/s) Teórico Real

Cd

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2 COEFICIENTE DE VELOCIDAD EN LA ENTRADA (Posición A)

Lecturas piezométricas Lectura h1(m) 1 2 3 4 5 6 7 8

h0(m)

Velocidades (m/s) Exp Real

Cv

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I 9 10

3 COEFICIENTE DE VELOCIDAD EN LA GARGANTA (Posición E) Lecturas piezométricas

Velocidades (m/s) Exp Real

Lectura h5(m)

h0(m)

Cv

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

4 DISTRIBUCION IDEAL Y REAL DE PRESIONES COMO FRACCION DE LA ENERGIA CINETICA EN LA GARGANTA. Lectura # 1 2

A

B

C

D

E

F

Ideal Real Ideal Real

8.-ANALISIS DE DATOS: 1.

¿Cuáles son las fuentes de error en el ensayo?

2.

¿Qué efecto se tendría si el Venturímetro no estuviera horizontal?

3. Investigue, ¿Cuál es el ángulo incluido nominal de la sección convergente y divergente de un tubo Venturi? Explique por qué existe esta diferencia

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I 4.

¿Qué otros medidores de caudal en conductos cerrados conoce?

5.

¿Por qué el coeficiente Cd no es constante? Explique

6.

¿A qué se debe que la pérdida total en el Venturímetro sea pequeña?

7.

¿Cómo puede usarse el tubo de Venturi para bombear fluido?

8. ¿Qué pasaría si la altura del agua en el banco hidráulico sobrepasa la altura estipulada por los requerimientos del equipo? 9. Construya una tabla de conversión de unidades de caudal que contemple las unidades de volumen de: litros, m3, y galones versus las unidades de tiempo de: segundo, minutos, hora y día. 10.

Grafique:

a. Cd vs. Q teórico del Venturímetro. b. (h1 – h2)1/2 vs. Qt del Venturímetro. c. La distribución de presiones real y teórica contra la distancia que hay de la garganta a cada toma piezométrica. d. Qr vs. Qt del Venturímetro. ¿Qué significa la pendiente de esta gráfica? e. Vr vs. Vexp del Venturímetro. ¿Qué significa la pendiente de esta gráfica? f. Cv vs. Vexp del Venturímetro.

9.-ELABORACION DE REPORTE:

1.-PRESENTACION 2.-INTRODUCCION BREVE 3.-DISCUSION DEL TRABAJO 4.-CONCLUSIONES 5.-GRAFICOS Y FOTOGRAFIAS 6.-MEMORIA DE CÁLCULO 7.-CUESTIONARIO (SERA RESUELTO CUANDO ESTE LE SEA SUMINISTRADO AL ALUMNO)

10.- EVALUACIOND E LA PRÁCTICA: SE CALIFICARA LA ESTRUCTURA GENERAL DEL TRABAJO, PERO SE HARA ENFASIS EN LAS CONCLUSIONES DE CARÁCTER TECNICAS.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I PRACTICA NUMERO 5 IMPACTO DE UN CHORRO 1.-DATOS GENERALES: NIVEL

: LICENSIATURA

HORAS

:

CLAVE : ICAE13002832 CHORRO.SEMESTRE:

NOMBRE DE LA PRÁCTICA :IMPACTO DE UN UNIDAD PROGRAMADA :

MATERIA :

TEMA

2.-PRESENTACION:

:

La mecánica de fluidos ha desarrollado como una disciplina analítica de la aplicación de las leyes clásicas de la estática, dinámica, y termodinámica, para situaciones en el cual el fluido puede ser tratado como medio continuo. El modelo hidráulico específico con el que estamos concernidos para este experimento es el aparato de impacto de un chorro F1-16. Este consiste de un tanque de acrílico cilíndrico el cual es alimentado de agua atraves de una boquilla al final de un tubo vertical. El agua se estrella en una blanco montado en un brazo. Un porta pesa en la cima del brazo permite que la fuerza del agua sea contrabalanceada por aplicación de masas. Este experimento consiste en la medición de la fuerza de impacto de un chorro de agua sobre superficies sólidas. El aparato permite la medición de la fuerza del impacto del chorro sobre cuerpos sólidos de distinta forma, además de las variables necesarias para la comparación de los resultados experimentales con predicciones teóricas, tales como el caudal del chorro, etc. Posee cuerpos de distintas formas (plana, cónica, semicircular, etc.) para realizar el experimento.

3.-OBJETIVO DE LA PRÁCTICA:

1. Investigar las fuerzas producidas por el cambio en momento del flujo de un fluido. 2. Determinar la fuerza que produce el impacto de un chorro vertical de agua.

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4.-INFORMACION PREVIA: EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO

1. Banco hidráulico F1-10 2. Aparato de impacto de un chorro F1-16 3. Un cronómetro 5.5 GENERALIDADES

1 METODO

Midiendo las fuerzas producidas por un chorro golpeando una superficie sólida el cual produce diferentes grados de deflexión de flujo.

2 FUNDAMENTO TEÓRICO

La velocidad de un fluido, v, partiendo de una boquilla de área de sección transversal A, es dada por:

Se asume que la magnitud de la velocidad (es decir la rapidez) no cambia cuando fluye el fluido alrededor del deflector, y que solamente su dirección cambia. La aplicación de la segunda ley de Newton al flujo desviado da el resultado:

Donde: Fy: Fuerza ejercida por el deflector en el fluido. Qm: Caudal de flujo másico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I Pero Donde Q. caudal de flujo volumétrico. Para el equilibrio estático, Fy es balanceado por la carga aplicada, W (y W=mg, donde m es la masa aplicada) por lo tanto:

Así, la pendiente, s, de un grafico de W trazado contra v2 es:

Nota:

, donde

5.- MATERIAL Y EQUIPO:

es el ángulo de deflexión del flujo.

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DESCRIPCION DEL EQUIPO

Figura 9: Descripción del impacto de un chorro El equipo está diseñado para ubicarse en el banco hidráulico y se debe conectar directamente el alimentador del banco a través del conector de liberación rápida. La emisión de agua desde la boquilla (D=0.008m) y luego golpea la mira, sale a través de hoyos de salida en la base del cilindro. Un respiradero es incluido para que el interior permanezca bajo presión atmosférica. La fuerza vertical de impacto en el blanco es medida por adición de pesos en el porta pesa, hasta que la marca del porta pesa corresponda con el calibrador de nivel. El calibrador de nivel asegura que la compresión en el muelle sea siempre constante y no afecte las medidas. Para cambiar el blanco, remueva los pernos del plato superior del cilindro para quitarlo, Tenga cuidado de no sobre socar los pernos cuando quite el plato superior porque esto puede dañar el plato.

5.4 EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO

Banco hidráulico F1-10 Aparato de impacto de un chorro F1-16 Un cronómetro

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FIJACION DEL EQUIPO 1. Remueva la placa superior (aflojando los pernos) y el cilindro transparente del aparato impacto de chorro. 2.

Revise y registre el diámetro de salida de la boquilla.

3.

Reubique el cilindro.

4. Atornille uno de los cuatro deflectores de flujo (teniendo identificado el ángulo de deflexión) en el final del tubo. 5. Posicione el aparato en el canal del banco hidráulico y conéctelo al suministro de agua con el conector de liberación rápida. 6.

Reubique la placa superior al tanque transparente pero no ponga los tres pernos.

7.

Usando el nivel de burbuja asido en la parte superior, nivele el tanque con los piecitos.

8. Reubique los tres pernos y sóquelos en secuencia para mantener la placa superior en el nivel indicado. Tenga cuidado de no resocar mucho los pernos porque puede dañar la placa. 9. Asegúrese que el tubo vertical esta libre para moverse y apoyado por el muelle debajo del porta pesa. 2 TOMANDO UNA SERIE DE DATOS 1. Sin peso en el porta-pesa ajuste la posición del calibrador del nivel hasta que se alinee con la línea datum del porta-pesa. 2. Revise que la posición es correcta oscilando ligeramente el portador (el portador debería venir a descansar otra vez a la línea datum del calibrador del nivel). 3.

Ubique un peso de aproximadamente de 0.4 kg en el porta-pesa.

4.

Enciende el banco hidráulico y abra la válvula para producir flujo.

5. Ajuste la posición de la válvula hasta que sea obtenido equilibrio estático con la línea datum del porta-pesa alineada con el calibrador del nivel (revise otra vez oscilando ligeramente el portador). 6.

Observe (y note) el comportamiento del flujo durante las pruebas.

7. Mida el caudal por registro de volumen temporizado usando el tanque volumétrico y un cronometro. 8.

Realice estas medidas dos veces para mejor consistencia y promedie las lecturas.

9.

Repita este procedimiento para una gama de masas aplicadas al porta-peso.

10.

Después repita la prueba completa para cada uno de los otros tres deflectores.

Nota: El blanco de treinta grados demuestra las fuerzas reducidas en ángulos de deflexión pequeñas. Comparación con la teoría en este ángulo de deflexión reducido será pobre para los caudales reducidos.

6.-PROCEDIMIENTOS:

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PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

1. Calcule el caudal usando la formula conceptual.

2. 3. 4. 5.

Calcule la velocidad con la ecuación 1. Calcule el área de la boquilla usando el diámetro dado en la sección 3 de la guía. Calcule la fuerza del impacto del chorro usando la ecuación 4, ya que W = Fy. Determine la pendiente teórica usando los datos constantes como son el área de la boquilla, densidad del agua y el ángulo de deflexión, con la ecuación 5. 6. Determine la pendiente experimental promedio a partir de la gráfica trazando W (masas aplicadas) contra V2 (velocidad del flujo).

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7.- OBTENCION DE DATOS: TABLA DE RECOLECCION DE DATOS D: Diámetro de boquilla, α: ángulo de deflexión depende del tipo de deflector. Lectura #

D (mm)

α (º)

V (lts)

T (seg)

W (kg)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

PRESENTACION DE RESULTADOS Lectura # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

D (m)

W (kg)

Qr (m3/s)

V (m/s)

V2 (m/s)2

Fy (Newton)

S Experimental

S Teórica

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8.-ANALISIS DE DATOS: Grafique v2 vs W , obtenga la pendiente de la grafica y compárela con los resultados de Comente acerca de los resultados teóricos y experimentales de razones para cualquier diferencia. Comente acerca de la significancia de los errores experimentales.

9.-ELABORACION DE REPORTE:

1.-PRESENTACION 2.-INTRODUCCION BREVE 3.-DISCUSION DEL TRABAJO 4.-CONCLUSIONES 5.-GRAFICOS Y FOTOGRAFIAS 6.-MEMORIA DE CÁLCULO 7.-CUESTIONARIO (SERA RESUELTO CUANDO ESTE LE SEA SUMINISTRADO AL ALUMNO)

10.- EVALUACIOND E LA PRÁCTICA: SE CALIFICARA LA ESTRUCTURA GENERAL DEL TRABAJO, PERO SE HARA ENFASIS EN LAS CONCLUSIONES DE CARÁCTER TECNICAS.

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PRÁCTICA NUMERO 6 PERDIDAS POR FRICCION A LO LARGO DE UN TUBO DE DIAMETRO PEQUEÑO 1.-DATOS GENERALES: NIVEL

: LICENSIATURA

HORAS

:

CLAVE : ICAE13002832 NOMBRE DE LA PRÁCTICA :PERDIDAS POR FRICCION A LO LARGO DE UN TUBO DE DIAMETRO PEQUEÑO. SEMESTRE:

UNIDAD PROGRAMADA

:

MATERIA :

TEMA

:

2.PRESENTACION:

A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo, ocurren pérdidas de energía debido a la fricción que hay entre el liquido y la pared de la tubería; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo. En estructuras largas, las pérdidas por fricción son muy importantes, por lo que ha sido objeto de investigaciones teórico-experimentales para llegar a soluciones satisfactorias de fácil aplicación. Para estudiar el problema de la resistencia al flujo resulta necesario volver a la clasificación inicial de los flujos laminar y turbulento. Osborne Reynolds (1883) en base a sus experimentos fue el primero que propuso el criterio para distinguir ambos tipos de flujo mediante el número que lleva su nombre, el cual permite evaluar la preponderancia de las fuerzas viscosas sobre las de inercia. Así los siguientes fenómenos de trascendental interés en la ingeniería, aunque aparentemente están dispares, están sometidos a las mismas leyes, y se han de estudiar conjuntamente: 1.

Pérdidas de energía en conducciones cerradas o tuberías.

2.

El flujo de conducciones abiertas o canales.

3. El arrastre de un avión que exige un consumo de energía para mantenerlo a velocidad constante. 4. La navegación submarina constituye un caso análogo al anterior, con las diferencias producidas por ser el fluido distinto –agua- y las velocidades más pequeñas. La importancia del tema se desprende de que las cuestiones 1 y 2 ocupan un puesto primordial en la ingeniería hidráulica, 3 en el problema básico de la aerodinámica, y 4 ocupa un puesto primordial en la ingeniería naval.

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3.-OBJETIVO DE LA PRÁCTICA:

1. Medir la pérdida de carga debido a la fricción en el flujo de agua a través de una tubería. 2.

Determinar el factor de fricción asociado.

3.

Determinar la viscosidad absoluta asociada

4. Comparar los valores asociados a las pérdidas con los valores teóricos.

4.-INFORMACION PREVIA:

Hay dos métodos para proveer agua a la tubería de prueba, para caudales altos la tubería de entrada se conecta directamente al abastecimiento del banco. Para caudales bajos la tubería de entrada es conectada a la salida de la base del tanque de carga constante y la entrada al tanque es conectada al abastecimiento del banco. El equipo es montado verticalmente y es instrumentado usando dos manómetros. Un manómetro de agua sobre mercurio es usado para medir grandes diferenciales de presión y un manómetro de agua es usado para medir para medir pequeñas diferenciales de presión. Cuando no es usado uno de los dos manómetros puede ser aislado usando pinzas Hoffman. El flujo a través de la sección es regulado usando una válvula de control de flujo. En uso válvula debería estar de cara al tanque volumétrico. Una longitud corta de tubería flexible sujetada a la válvula prevendrá salpicaduras.

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DATOS CONSTANTES DEL EQUIPO L=0.5m D=0.003m 6.5 EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO

1.

El banco hidráulico F1-10

2.

El aparato de fricción en tubería F1-18

3.

Un cronómetro

4.

Un termómetro

5.

Un nivel de burbuja

6.

Una probeta de 1000ml

Una probeta de 200ml

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I 5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1 FIJACION DEL EQUIPO • Monte el equipo de prueba en el Banco hidráulico y, con un nivel de burbuja, ajuste los piecitos para asegurar que la placa base esté horizontal y, por consiguiente los manómetros están vertical. • Revise con un auxiliar que el mercurio esté correctamente lleno; esto no debería ser intentado por estudiantes porque el mercurio es una sustancia peligrosa. Sujete una pinza Hoffman en cada uno de los tubos de conexión manométrica y ciérrelos. 2 FIJACIÓN PARA CAUDALES ALTOS • La salida del equipo debe estar sostenida por una brida, para asegurar que el punto de salida de flujo está firmemente fijado. Este debe estar encima del tanque de colección del banco y debe permitir suficiente espacio para la inserción de las probetas. •

Una la tubería de entrada del equipo al conector de flujo del banco hidráulico con la bomba apagada.

• Cierre la válvula de compuerta del banco, abra la válvula de control del equipo completamente y encienda la bomba. Ahora abra la válvula de compuerta progresivamente y corra el sistema hasta que todo el aire esté purgado. • Abra las pinzas Hoffman y purgue cualquier aire desde los dos puntos desangradores en la cima de los manómetros de Hg 3 FIJACIÓN PARA CAUDALES BAJOS (USANDO EL TANQUE DE CARGA) 1.

Ate una pinza Hoffman a cada uno de los dos tubos de conexión manométrica y ciérrelos.

2. Con el sistema completamente purgado de aire, cierre la válvula del banco, apague la bomba, cierre la válvula de salida de flujo remueva las pinzas Hoffman de las conexiones del manómetro de agua. 3.

Desconecte el suministro de la sección de prueba y sosténgalo alto para mantenerlo lleno de liquido.

4. Conecte el suministro del banco a la entrada del tanque de carga, encienda la bomba y abra la válvula del banco para permitir flujo. Cuando el flujo de salida tenga lugar desde el tanque de carga inserte rápido el conector, junte el tubo de suministro de la sección de prueba a este, asegurando que no hay aire atrapado. 5. Cuando el flujo tenga lugar desde el rebose del tanque de carga abra completamente la válvula de control de flujo de salida. 6. Lentamente abra los respiraderos de aire en la cima de los manómetros y permita al aire entrar hasta que los niveles de los manómetros lleguen a una altura conveniente, después cierre los respiraderos. Si es requerido, además el control de niveles puede ser obtenido por el uso de una bomba de mano para elevar la presión de aire en los manómetros. 4 TOMAD DE LECTURAS PARA EL M. DE MERCURIO 1. Aplique una pinza Hoffman a cada uno de los tubos de conexión manométrica con agua (esencialmente para prevenir un paso del flujo paralelo al de la sección de prueba) 2. Cierre la válvula de control de flujo del equipamiento y tome una lectura de flujo cero del manómetro de mercurio (puede no ser cero a causa de la contaminación del mercurio y/o de lasparedes del tubo). 3.

Con la válvula de control de flujo completamente abierta, lea la escala de los manómetros de mercurio.

4. Determine el caudal por colección temporizada y mida la temperatura del fluido colectado. La viscosidad cinemática del agua a la presión atmosférica puede ser determinada desde la tabla en los documentos de texto. 5. Cierre ligeramente la válvula de control de flujo del aparato y lea la escala de los manómetros. 5.-PROCEDIMIENTOS: 6.

Repita los dos últimos procedimientos para dar por lo menos nueve caudales.

mpletamente abierta, mida la pérdida de carga mostrada por los manómetros de agua.

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5 TOMA DE LECTURAS PARA EL M. DE AGUA 1. Repita el procedimiento dado arriba pero usando el manómetro de agua por completo. 2. Con la válvula de control de flujo completamente abierta, mida la pérdida de carga mostrada por los manómetros de agua. 3. Determine el caudal por colección temporizada y mida la temperatura del fluido colectado. La viscosidad cinemática del agua a la presión atmosférica puede ser determinada desde la tabla en los documentos de texto. 4.

Obtenga datos para por lo menos ocho caudales.

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Un análisis de momento básico de flujo completamente desarrollado de un tubo recto de sección uniforme muestra que la diferencia de presión (p1-p2) entre dos puntos en un tubo es debido a efectos de viscosidad (fricción de fluido). La pérdida de carga Δh es directamente proporcional a la diferencia de presión (pérdida) y está dada por:

Y el factor de fricción y la viscosidad absoluta están relacionados a la pérdida de carga por las ecuaciones:

Donde: D: Diámetro de la tubería Δh: diferencia de presión en la tubería la cual se conecta a dos tomas de presión a una distancia L de separación V: Velocidad media dada en términos de caudal Q por:

El resultado teórico de flujo laminar es Donde el Re= número de Reynolds y esta dado por Y es la viscosidad cinemática. Para el flujo turbulento en tuberías lisas, una bien conocida curva ajusta a los datos experimentales dados por:

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6.- OBTENCION DE DATOS: TABLAS DE PRESENTACION DE RESULTADOS

#

#

3

V(m )

3

V(m )

t(s)

t(s)

0

T( c)

0

T( c)

h1(m)

h1(m)

h2(m)

FLUJO TURBULENTO 3 Δh(m) Q(m /s) v(m/s)

λ

Re

h2(m)

Δh(m)

FLUJO LAMINAR 3 Q(m /s) v(m/s)

λ

Re

λ -aso

-aso

ln λ

ln λ

Ln Re

Ln Re

Ln h

Ln h

Ln v

Ln v

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7.-ANALISIS DE DATOS:

1.

Grafique Ln (factor de fricción) vs Ln (número de Reynolds)

2.

Grafique Ln (pérdida de carga) vs Ln (velocidad)

3. Identifique los regímenes de flujo laminar y turbulento. Cuál es el número de Reynolds crítico 4. Asumiendo una relación de la forma λ=KRen calcular estos valores de la grafica que has trazado y compare estos valores con los valores aceptados mostrados en la sección teórica 5.

¿Cuál es el efecto acumulativo de los errores experimentales en los valores de K y n?

6.

¿Cuál es la significancia de cambios en la temperatura a la pérdida de carga?

8.-ELABORACION DE REPORTE:

1.-PRESENTACION 2.-INTRODUCCION BREVE 3.-DISCUSION DEL TRABAJO 4.-CONCLUSIONES 5.-GRAFICOS Y FOTOGRAFIAS 6.-MEMORIA DE CÁLCULO 7.-CUESTIONARIO (SERA RESUELTO CUANDO ESTE LE SEA SUMINISTRADO AL ALUMNO)

9.- EVALUACIOND E LA PRÁCTICA: SE CALIFICARA LA ESTRUCTURA GENERAL DEL TRABAJO, PERO SE HARA ENFASIS EN LAS CONCLUSIONES DE CARÁCTER TECNICAS.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I PRACTICA NUMERO 7 PERDIDAS DE CARGAS LOCALES 1.-DATOS GENERALES: NIVEL

: LICENSIATURA

HORAS

:

CLAVE : ICAE13002832 SEMESTRE:

NOMBRE DE LA PRÁCTICA :PERDIDAS DE CARGAS LOCALES UNIDAD PROGRAMADA :

MATERIA :

TEMA

2.-PRESENTACION:

:

El fluido en un sistema de tubería típico pasa a través de varios accesorios, válvulas, flexiones, codos, ramificaciones en forma de letra T (conexiones en T), entradas, salidas, ensanchamientos y contracciones además de los tubos. Dichos componentes (accesorios) interrumpen el suave flujo del fluido y provocan pérdidas adicionales debido al fenómeno de separación y mezcla del flujo que producen.

En un sistema típico, con tubos largos, estas pérdidas son menores en comparación con la pérdida de carga por fricción en los tubos (las pérdidas mayores) y se llaman pérdidas menores. Aunque por lo general esto es cierto, en algunos casos las pérdidas menores pueden ser más grandes que las pérdidas mayores. Éste es el caso, por ejemplo, en los sistemas con varias vueltas y válvulas en una distancia corta. Las pérdidas de carga que resultan de una válvula totalmente abierta, por ejemplo, pueden ser despreciables. Pero una válvula cerrada parcialmente puede provocar la pérdida de carga más grande en el sistema, como pone en evidencia la caída en la razón de flujo. El flujo a través de válvulas y uniones es muy complejo, y por lo general no es lógico un análisis teórico. En consecuencia, usualmente los fabricantes de los accesorios determinan las pérdidas menores de manera experimental. Las pérdidas menores se expresan en términos del coeficiente de pérdida KL (también llamado coeficiente de resistencia), que se define como:

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I 3.-OBJETIVO DE LA PRÁCTICA: 1. Determinar experimentalmente las pérdidas que se producen en cada accesorio 2.

Determinar los factores de pérdida KL para cada accesorio

3. Analizar el comportamiento del coeficiente KL en función del caudal.

4.-INFORMACION PREVIA: EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO

El F1-10 Banco Hidráulico El F1-22 Perdida de energía en curvas y accesorios. Termómetro Nivel de burbuja Un cronómetro

5.- MATERIAL Y EQUIPO:

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I El accesorio está diseñado para ser colocado en los canales laterales de la parte superior del canal banco hidráulico. Los accesorios siguientes están conectados en una configuración en serie para permitir una comparación directa: •

Curva larga 90º.

•

Zona de ampliación.

•

Zona de contracción.

•

Codo 90º.

•

Curva corta 90º.

•

Válvula de ajuste.

•

Inglete.

El caudal que pasa por el circuito es controlado por una válvula de control de flujo. Las tomas de presión en el circuito está conectado a un banco de doce manómetros, que incorpora una válvula de aire de entrada / salida en la parte superior del colector. Un tornillo de purga de aire facilita la conexión a una bomba de mano. Esto permite que los niveles en los manómetros se ajusten a un nivel conveniente para adaptarse a la presión estática del sistema. Una pinza que cierra las tomas en el inglete es introducido cuando los experimentos en la válvula de ajuste es requerida. Un medidor de presión diferencial da la lectura directa de las pérdidas a través de la válvula de compuerta. DATOS TÉCNICOS •

Diámetro interior de las tuberías (d=0.0183m).

•

Diámetro interior de la tubería a la salida de ampliación y contracción de entrada (d=0.024m).

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GENERALIDADES FUNDAMENTO TEÓRICO

La pérdida de energía que se produce en una instalación de tuberías (la llamada pérdida secundaria) se expresa comúnmente en términos de pérdida de carga (h, m) en la forma: Donde: K: Coeficiente de perdida V: Velocidad del flujo en los accesorios. Debido a la complejidad del flujo de muchos accesorios, K es usualmente determinado por experimentos. Para el experimento del tubo, la pérdida de carga se calcula a partir de dos lecturas manométricas, tomadas antes y después de cada instalación, y K se determina como: Debido al cambio en la tubería de la sección transversal a través de la ampliación y contracción, el sistema experimenta un cambio adicional en la presión estática. Este cambio se puede calcular como: Para eliminar los efectos del cambio del área en la medida de las pérdidas de carga, este valor se debe agregar a las lecturas de pérdida de carga para la ampliación y la contracción. Tenga en cuenta que (h1h2) será negativo para la ampliación y será negativo para la contracción. Para el experimento de la válvula de compuerta, la diferencia de presión antes y después de la entrada se mide directamente con un medidor de presión. Esto puede convertirse en una pérdida de carga equivalente mediante la conversión. 1bar=10.2mca

El coeficiente de pérdida se puede calcular igual que el anterior para la válvula de compuerta.

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6.-PROCEDIMIENTOS: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1 PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN. 1. Instale el equipo de las pérdidas en el banco hidráulico de manera que su base está en posición horizontal (esto es necesario para medir la altura exacta de los manómetros). 2. Conecte el dispositivo de conexión rápida del aparato al suministro de flujo del banco hidráulico. 3.

Asegure la extensión del tubo de salida del F1-22 en el tanque volumétrico.

4. Abra la válvula del banco, la válvula de compuerta y la válvula de control del flujo del equipo y encienda la bomba para llenar la tubería con agua 5. Con el fin de sacar el aire de los puntos de toma de presión y los manómetros cierre tanto la válvula de banco y la válvula de control de flujo del aparato de pruebas y abra el tornillo de purga de aire y quite el tapón de la válvula de aire adyacente. Conecte una tubería de pequeño diámetro de la válvula de aire en el tanque volumétrico. Ahora, abra la válvula de banco para permitir el flujo a través de los manómetros para purgar todo el aire de ellos, entonces, apriete el tornillo de purga de aire, y cierre la válvula del banco. 6. Abra ligeramente, válvula del banco, a continuación, abra el tornillo de purga de aire ligeramente para permitir la entrada de aire en la parte superior de los manómetros, vuelva a apretar el tornillo, cuando los niveles de manómetro de llegar a una altura conveniente, y cierre la válvula del banco. 7. Compruebe que todos los niveles manómetro estén a la misma altura (entre 70mm y 90mm) en la escala. Estos niveles se pueden ajustar aún más con el tornillo de purga de aire y se suministra la bomba de mano. El tornillo de purga de aire controla el flujo de aire a través de la válvula de aire, por lo que cuando se utiliza la bomba de mano, el tornillo de purga debe estar abierto. Para mantener la presión de la bomba de mano en el sistema, el tornillo debe ser cerrado después del bombeo.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2 PROCEDIMIENTO-TOMAR UN CONJUNTO DE RESULTADOS. No es posible realizar mediciones en todas las instalaciones y al mismo tiempo, por lo tanto, es necesario ejecutar dos pruebas por separado. Ejercicio A: Mida las pérdidas a través de todos los accesorios de tubería, excepto la válvula de compuerta, la cual debe estar plenamente abierta. 1. Ajuste el caudal de la válvula de control de flujo del banco y, con un caudal determinado, tome lecturas de alturas de todos los manómetros después de que el nivel se estabilizó. 2. Con el fin de determinar el caudal, tome medición del tiempo de colección de un volumen de agua conocido usando el tanque volumétrico (con un cronómetro). 3. Repita este procedimiento para dar un total de al menos cinco series de mediciones en un rango de caudal de aproximadamente 8-17 litros por minuto. Ejercicio B: Mida las pérdidas a través de la válvula de compuerta solamente. 1. Coloque la pinza de los tubos de conexión a la toma de presión inglete (para evitar que el aire entre al sistema). 2. Comience con la válvula de compuerta cerrada y totalmente abierta tanto la válvula del banco y la válvula de control de flujo. 3. A continuación, abra la válvula de compuerta en aproximadamente un 50% de una vuelta (después de tomar cualquier reacción). 4. Para cada uno de por lo menos cinco caudales diferentes, mida la presión de carga a través de la válvula del manómetro en el manómetro tipo bourdon, el cual está señalada la salida y la entrada por colores (negro=entrada, rojo=salida). 5.

Ajuste el caudal mediante el uso de la válvula de control de flujo del aparato.

6.

Una vez que las mediciones han comenzado, no ajuste la válvula de compuerta.

7.

Determine el caudal por el método volumétrico.

8. Repita estos procedimientos para la válvula de compuerta abierta aproximadamente en 70 y 80% de una sola vuelta.

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7.- OBTENCION DE DATOS: TABLA DE RECOLECCION DE DATOS

# Lectura

Curva larga h1 h2

Expansión h1

h2

Accesorios Contracción Curva corta h1 h2 h1 h2

Vol (lts) Codo 90º h1 h2

Inglete h1

h2

1 2 3 4 5 6 7

# Lectura

Válvula 50% Δh 1 2 3 4

Accesorios Válvula 70% Δh

Vol (lts) Válvula 80% Δh

T (seg)

T (seg)

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1 EJERCICIO A Accesorios

Manómetros h1(m)

Manómetro h2(m)

Perdida de carga h1-h2(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 1 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

Manómetros h1(m)

Manómetro h2(m)

Perdida de carga h1-h2(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 2 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

Manómetros h1(m)

Manómetro h2(m)

Perdida de carga h1-h2(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 3 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

2

K

2

K

2

K

Inglete Codo Curva larga Curva corta Ampliación Contracción

Accesorios Inglete Codo Curva larga Curva corta Ampliación Contracción

Accesorios Inglete Codo

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I Curva larga Curva corta Ampliación Contracción

Accesorios

Manómetros h1(m)

Manómetro h2(m)

Perdida de carga h1-h2(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 4 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

Manómetros h1(m)

Manómetro h2(m)

Perdida de carga h1-h2(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 5 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

2

K

2

K

Inglete Codo Curva larga Curva corta Ampliación Contracción

Accesorios Inglete Codo Curva larga Curva corta Ampliación Contracción

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I Accesorios

Manómetros h1(m)

Manómetro h2(m)

Perdida de carga h1-h2(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 6 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

Manómetros h1(m)

Manómetro h2(m)

Perdida de carga h1-h2(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 7 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

2

K

2

K

Inglete Codo Curva larga Curva corta Ampliación Contracción

Accesorios Inglete Codo Curva larga Curva corta Ampliación Contracción

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I

2 EJERCICIO B Accesorios

Perdida de carga Δh(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 1 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

Perdida de carga Δh(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 2 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

Perdida de carga Δh(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 3 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

Perdida de carga Δh(m)

Vol. 3 V(m )

Tiempo seg

Caudal 4 3 Qt(m /s)

Velocidad v(m/s)

v /2g

2

K

2

K

2

K

2

K

Válvula 50% Válvula 70% Válvula 80%

Accesorios Válvula 50% Válvula 70% Válvula 80%

Accesorios Válvula 50% Válvula 70% Válvula 80%

Accesorios Válvula 50% Válvula 70% Válvula 80%

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8.-ANALISIS DE DATOS: 1. ¿Qué es la pérdida menor en el flujo de tubería? ¿Cómo se define el coeficiente de pérdida menor KL? 2.

Para el ejercicio A:

•

Grafique la pérdida de carga (Δh) vrs. La carga de velocidad (v2/2g).

•

K vrs. Qt.

3. Para el ejercicio B: • Grafique la pérdida de carga equivalente (Δh) vrs. La carga dinámica (v2/2g). • K vrs. Qt. 4. Opine sobre cualquier relación notada. ¿Qué dependencia hay con las pérdidas de carga en los accesorios a través de la tubería con la velocidad?

5.

Examinar el número de Reynolds obtenidos, ¿son los flujos laminar o turbulento?

6. En Ejercicio B, ¿cómo el coeficiente de pérdida de una válvula de compuerta varía con el grado de apertura de la válvula?

7. Defina la longitud equivalente para pérdida menor en un flujo de tubería. ¿Cómo se relaciona con el coeficiente de pérdida menor? 8. ¿Qué tiene mayor coeficiente de pérdida menor durante el flujo en tubería: la expansión gradual o la contracción gradual?, ¿Por qué?

9.-ELABORACION DE REPORTE:

1.-PRESENTACION 2.-INTRODUCCION BREVE 3.-DISCUSION DEL TRABAJO 4.-CONCLUSIONES 5.-GRAFICOS Y FOTOGRAFIAS 6.-MEMORIA DE CÁLCULO 7.-CUESTIONARIO (SERA RESUELTO CUANDO ESTE LE SEA SUMINISTRADO AL ALUMNO)

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10.- EVALUACIOND E LA PRÁCTICA: SE CALIFICARA LA ESTRUCTURA GENERAL DEL TRABAJO, PERO SE HARA ENFASIS EN LAS CONCLUSIONES DE CARÁCTER TECNICAS.

PRACTICA NUMERO 8 FLUJO ATRAVES DE UN ORIFICIO 1.-DATOS GENERALES: NIVEL

: LICENSIATURA

CLAVE : ICAE13002832 ORIFICIO

HORAS

:

NOMBRE DE LA PRÁCTICA :FLUJO ATRAVES DE UN

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I SEMESTRE:

UNIDAD PROGRAMADA

:

MATERIA :

TEMA

:

2.-PRESENTACION:

Para medidas en el flujo se emplean en la práctica de ingeniería numerosos dispositivos. Las medidas de velocidad se realizan con tubos de pitot, medidores de corriente anemómetros rotativos y de hilo caliente. En estudios de modelos se utilizan con frecuencia métodos fotográficos. Las medidas se llevan a cabo mediante orificios, tubos, toberas o boquillas, Venturímetros, y canales Venturi, medidores de codo, vertederos de aforo, numerosas modificaciones de los precedentes y varios medidores patentados. A fin de aplicar correctamente estos aparatos, es imperativo emplearla ecuación de Bernoulli y conocer las características y coeficientes de cada aparato. En ausencia de valores seguros de estos coeficientes, un aparato debe calibrarse para las condiciones de operación en que va a emplearse. Las formulas desarrolladas para fluidos incompresibles pueden aplicarse a fluidos compresibles en donde la presión diferencial es pequeña en comparación con la presión total. El modelo hidráulico específico con el que estamos concernidos para este experimento es el aparato de flujo a través de un orificio, F1-17. Este consiste de un tanque de acrílico cilíndrico el cual tiene una placa orificio fijada en su base. Una descripción completa del aparato está dada después en este texto.

3.-OBJETIVO DE LA PRÁCTICA: 1.

Determinar el coeficiente de descarga de un orificio pequeño

2.

Determinar el coeficiente de velocidad de un orificio pequeño

3. Determinar el coeficiente de contracción de un orificio pequeño

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4.-INFORMACION PREVIA:

El accesorio de descarga por orificios consiste de un tanque cilíndrico que tiene un hoyo en la base para aceptar uno de cinco orificios, cada uno de estos con un diferente perfil. El tubo de entrada flexible es conectado al conector de liberación rápida en el banco hidráulico. El agua es entregada al tanque a través de un tubo de entrada que es ajustable en altura y colocado con un difusor para reducir agitaciones en el tanque. Un tubo de rebose mantiene el agua en un nivel fijo en el tanque y el agua excedente es regresada al tanque de almacenamiento de el banco hidráulico. Un ensamblaje montado debajo de la base del tanque, habilita que un tubo de pitot sea posicionado en cualquier parte del chorro de agua. Apegado al pitot hay un cable fino el cual puede ser atravesado de un lado a otro del chorro, para medir el diámetro del chorro en la vena contractada y así determinar el coeficiente de contracción. El ensamblaje incorpora un pomo

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I graduado el cual mueve el tubo de pitot una distancia de un milímetro por cada rotación completa del pomo. Cada graduación en el pomo corresponde a un movimiento de 0.1mm (Nota: la medición del diámetro del chorro en la vena contractada es solamente el uso práctico del orificio biselado). El tubo de pitot y una toma en la base del tanque están conectados a tubos manométricos adyacentes al tanque. Estos permiten que la carga sobre el orificio y la carga total del chorro sean medidas y comparadas. En adición a un orificio estándar biselado, cuatro orificios con diferentes perfiles son proveídos. Estos vienen en una bolsa de almacenamiento plástica. Las dimensiones de cada orificio están dadas abajo en el documento. El orificio requerido es posicionado en un hueco abajo en la base del tanque y sujetado apretando dos pernos un aro “0” en la base del tanque sella el vacío entre el orificio y la base del tanque. El accesorio debe ser posicionado sobre el canal en el banco hidráulico y nivelado por medio de los tornillos de ajuste. Un nivel de burbuja montado en la base del tanque indica cuando el accesorio esta a nivel. El flujo volumétrico de agua descargando por el orificio en prueba, puede ser determinado usando el tanque volumétrico del banco hidráulico. El experimento descrito debe ser desarrollado usando el orificio de borde afilado, con el orificio instalado el borde afilado en lo más alto. El experimento puede entonces ser repetido usando los orificios alternativos para comparar los coeficientes de descarga. (No será práctico medir la contracción del chorro usando los otros orificios).

5.- MATERIAL Y EQUIPO:

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EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO 4.

Banco hidráulico F1-10

5.

Aparato de flujo a través de un orificio F1-17

6.

Un cronómetro

GENERALIDADES METODO Determinación del coeficiente de descarga por medición del caudal del orificio. Determinación del coeficiente de velocidad por medición de la carga dinámica en el orificio usando un tubo de pitot, debido a que en una corriente de fluido abierta la presión manométrica local es cero. Determinación del coeficiente de contracción por medición del diámetro de la vena contractada. DETERMINACION DE COEFICIENTES CON FLUJO DE CARGA CONSTANTE De la aplicación de la ecuación de Bernoulli (conservación de la energía mecánica para un flujo estable, incompresible y sin fricción): La velocidad del flujo ideal del orificio en la vena contractada del chorro (diámetro más estrecho) Donde H0 es la altura de fluido sobre el orificio.

La velocidad real es

Cv es el coeficiente de velocidad, el cual se permite por efectos de viscosidad y, por lo tanto Cv < 1 Para el tubo de pitot Por consiguiente

El caudal real del chorro es definido como:

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I

Por consiguiente

El caudal real del chorro es definido como:

Donde Ac es el área transversal de la vena contractada, dada por:

Donde A0 es el área del orificio, Cc es el coeficiente de contracción y, por lo tanto, Por consiguiente

Si el Cd es asumido constante, entonces la gráfica de Q vs. H00.5 será lineal y la pendiente,

Cc < 1

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6.-PROCEDIMIENTOS: 6 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1 PROCEDIMIENTO – FIJACION DEL EQUIPO 10. Posicione el equipo en el canal en la cima del banco hidráulico y nivelarlo usando los tornillos de ajuste y el nivel de burbuja en la base. Conecte el tubo de entrada flexible al conector rápido del banco hidráulico, ubique el fin del tubo de rebose directamente en el rebose del banco hidráulico (ubicado en un lado del tanque volumétrico), y ajuste la tubería de entrada al nivel aproximado de la carga requerida para el experimento. 11. Quite la placa del orificio del hueco en la base del cilindro, liberando los dos tornillos (tenga cuidado no perder el aro para sellar). Revise el perfil del orificio, y reubique el orificio requerido. El orificio biselado debe ser ubicado con el filo hacia arriba 12. Encienda la bomba y abra la válvula del banco hidráulico gradualmente. Tanto que el nivel del agua se eleve en el depósito hacia lo más alto del tubo de rebose, ajuste la válvula del banco para dar un nivel de agua de 2 a 3 mm encima del nivel de rebose, con el fin del tubo de entrada completamente sumergido. Esto asegurará una carga constante y producirá un flujo estable a través del orificio. 2 TOMANDO UNA SERIE DE RESULTADOS En la primera parte del experimento, ajuste el tubo de rebose y la entrada de flujo, para obtener una altura de carga constante. 3 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE DESCARGA Para medir el coeficiente de descarga, la descarga es obtenida por colección de una cantidad conocida de agua del orificio en el tanque volumétrico, y registrando los valores de carga en el orificio. 4 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD Para medir el Cv, el tubo de pitot es insertado en el chorro saliente en la parte de abajo del tanque y los valores de la carga del pitot (Hc) y la carga H0 en el orificio son anotados.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I 5 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE CONTRACCION (orificio biselado)

Esto debe ser hecho usando el orificio biselado, tanto que es probable que haya insuficiente contracción para obtener un valor fiable para los otros orificios.

1. Para medir el coeficiente de contracción es necesario encontrar el diámetro del chorro en la vena contractada. Esto se hace utilizando el cable fino asido a la cabecera del tubo de pitot, el plano del cable siendo normal a la dirección de atraviese del tubo. El cable es traído a cada borde del chorro sucesivamente, justo debajo del tanque, y la posición del tubo es leída en el tornillo principal y la tuerca graduada se lee en cada caso. 2. Marque como referencia la posición inicial de la tuerca, a partir de la referencia se cuenta el numero de vueltas, cada vuelta en la tuerca es 1mm, si la referencia de la posición inicial se encuentra desviada, cuente en la tuerca cada línea graduada como una decima de milímetro, de igual manera por apreciación se determinan las centésimas de milímetro, el total representa el diámetro del chorro. 3. En la segunda parte del experimento el flujo que entra en el tanque es reducido a más bajo que el nivel en el tanque en pasos, la descarga del orificio está siendo medida en cada paso. Se debe tener cuidado para permitir al nivel asentarse a un valor estable después que el flujo de entrada en el tanque ha sido cambiado, y es aconsejable leer este nivel varias veces mientras la descarga está siendo colectada y para registrar el valor sobre el intervalo de tiempo. 4. Cerca de ocho caudales diferentes deben ser suficientes para establecer la relación entre descarga y carga del orificio. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO 1.

Calcule el caudal usando la formula conceptual.

2. Calcule la velocidad ideal con la ecuación 1, que surgió de la ecuación de Bernoulli, usando la lectura de carga sobre el orificio. 3.

Calcule la velocidad real usando la ecuación 2, a partir de la lectura en el tubo de pitot.

4.

Calcule el coeficiente de velocidad usando la ecuación 3.

5. Calcule el área del orificio (D = 13 mm) y de la vena contracta usando los diámetros correspondientes. 6.

Determine el coeficiente de contracción del orificio biselado con la ecuación 4.

7.

Determine el caudal teórico multiplicando el área del orificio por la velocidad ideal.

8. Calcule el coeficiente de descarga relacionando el caudal real del primer paso y el caudal teórico del paso anterior.

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7.- OBTENCION DE DATOS: TABLA DE RECOLECCION DE DATOS

Lectura #

D0 (mm)

Dc (mm)

H0 (m)

Hc (m)

V (Lts)

T (seg)

1 2 3 4 5 6 7 8

PRESENTACION DE RESULTADOS

Lectura #

D0 (m)

Dc (m)

H0 (m)

Hc (m)

V (m3)

T (seg)

Qr (m3/s)

Cd

Cv

Cc

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8.-ANALISIS DE DATOS: 4. ¿Es justificable asumir que el coeficiente de descarga es una constante sobre el rango de flujos estables estudiados? 5.

¿Porque es importante estudiar estos coeficientes?

6. ¿Cuál es la diferencia en la medición con tubo de pitot en una corriente libre y una corriente confinada? 7.

¿Porque son los coeficientes de descarga valores significativamente menores que uno?

8. Comparando los valores de Cd para lo estable y las pruebas con caída de carga, cual valor es probable a ser más fiable? 9. de

Grafique Qr vs H00.5 , obtenga la pendiente de la grafica y compárela con los resultados

10.

Grafique el Qr vs Cd y analice.

9.-ELABORACION DE REPORTE:

1.-PRESENTACION 2.-INTRODUCCION BREVE 3.-DISCUSION DEL TRABAJO 4.-CONCLUSIONES 5.-GRAFICOS Y FOTOGRAFIAS 6.-MEMORIA DE CÁLCULO 7.-CUESTIONARIO (SERA RESUELTO CUANDO ESTE LE SEA SUMINISTRADO AL ALUMNO)

10.- EVALUACIOND E LA PRÁCTICA: SE CALIFICARA LA ESTRUCTURA GENERAL DEL TRABAJO, PERO SE HARA ENFASIS EN LAS CONCLUSIONES DE CARÁCTER TECNICAS.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I PRACTICA NUMERO 9 TRAYECTORIA DE UN CHORRO LIBRE 1.-DATOS GENERALES: NIVEL

: LICENSIATURA

HORAS

:

CLAVE LIBRE

: ICAE13002832

NOMBRE DE LA PRÁCTICA TRAYECTORIA DE UN CHORRO

SEMESTRE:

UNIDAD PROGRAMADA

:

MATERIA :

TEMA

:

2.-PRESENTACION:

Un chorro libre en el aire describe una trayectoria, o camino bajo la acción de la gravedad con una componente vertical de velocidad continuamente variable. La trayectoria es una línea de corriente y por consecuencia, despreciando la presión del aire, puede aplicarse el Teorema BERNOULLI, con todos los términos de presión nulos. Luego la suma de la elevación y la columna de presión deben ser constantes en todos los puntos de la curva. El gradiente de energía es una recta horizontal a una altura V2/2g sobre la tobera, siendo la velocidad de salida del orificio o tobera. El chorro que parte del orificio describe una parábola debido al efecto de la gravedad, despreciando la resistencia del aire este experimento puede dejar relaciones interesantes entre lo real y lo teórico, aplicando los fundamentos científicos correspondientes.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I

3.-OBJETIVO DE LA PRÁCTICA: 1. Determinar el coeficiente de velocidad de dos orificios pequeños. 2.

Determinar el coeficiente de descarga bajo carga constante.

3.

Determinar el coeficiente de descarga bajo carga variando.

4.-INFORMACION PREVIA:

DATOS TÉCNICOS Las siguientes dimensiones del equipo son usados en los cálculos apropiados. Si se requiere estos valores pueden ser revisados como parte del procedimiento experimental remplazarlos con tus propias mediciones. Diámetro del orificio pequeño

0.003m

Diámetro del orificio grande

0.006m

Área superficial del depósito

1.812 E-2m2

GENERALIDADES

MÉTODO Midiendo la trayectoria de un chorro saliendo de un orificio en el costado de un depósito bajo condiciones de flujo estables.

PRUEBA 1: DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD DE LA TRAYECTORIA DEL CHORRO

De la aplicación de la ecuación de bernoulli (conservación de la energía mecánica para un flujo estable sin fricción e incompresible):

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I La velocidad ideal del flujo del orificio en una vena contractada de un chorro (diámetro más estrecho) es:

Donde h es la altura

A

del fluido encima del orificio.

0

Ac

La velocidad real es:

Cv es el coeficiente de velocidad, el cual permite por efectos de viscosidad y por lo tanto Cv